研究背景

随着我国城市地下空间开发进入深水区，隧道工程建设规模与地质复杂程度同步攀升。泥水盾构凭借其安全、高效、环保等优势，已成为越江跨海、城市核心区隧道施工的主流技术。然而，在珠三角、长三角等广泛分布的富黏土地层中，刀盘结泥饼问题长期困扰工程界：黏土颗粒在刀盘与泥水舱内黏附、堆积、压实，形成致密“泥饼”，导致排渣受阻、掘进效率下降、刀具磨损加剧，严重时可引发停机开舱处理，单次处置成本高昂，工期延误动辄以月计，已成为制约盾构隧道高效建造的“卡脖子”难题。

近日，大连交通大学杨益等在期刊Engineering Structures and Civil Engineering上发表了题为“Numerical investigation of slurry shield cutterhead design for clogging mitigation using a coupled computational fluid dynamics-discrete element method approach”的研究论文，系统对比了三种典型泥水盾构刀盘的防结泥饼性能，为刀盘科学选型与结构优化提供了量化依据。

图1.三种常见刀盘结构：(a) 辐条式；(b) 面板式；(c) 辐条-面板组合式

研究挑战

刀盘结泥饼的本质是多相介质在受限空间内的流-固-结构强耦合问题，涉及泥浆流变特性、黏土颗粒黏附行为与刀盘几何构型的复杂交互。传统研究多依赖工程经验或简化物理试验，难以定量解析泥水舱内颗粒运移轨迹与低速堆积区的形成机制。尽管部分学者尝试采用数据驱动方法进行刀盘性能预测，但缺乏物理可解释性，无法从机理层面指导刀盘结构优化。更关键的是，目前工程界对常压软土刀盘、常压复合刀盘与传统面板式刀盘在黏土地层中的排渣效率与结泥饼风险的定量对比仍属空白，选型决策高度依赖经验，难以适应复杂多变的地质条件。

研究突破

本研究创新性地构建了计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）双向耦合数值模型，将泥浆流动计算（Fluent）与黏土颗粒离散元模拟（EDEM）实时耦合，首次在保持相同开口率、掘进参数条件下，系统对比了三种典型泥水盾构刀盘的排渣性能与结泥饼演化规律。研究揭示了常压刀盘因主臂结构厚重、泥水舱流体域受限，在特定区域形成低速堆积区，其排渣效率（约50–60 kg/s）显著低于传统刀盘（约100 kg/s），结泥饼风险更高。

更为关键的是，研究发现刀盘旋转方向与泥浆流向的匹配关系直接决定舱内压力分布的不对称性，进而主导颗粒堆积位置——这一机制为“按掘进距离周期性切换刀盘旋转方向”提供了明确的物理依据。此外，研究定量厘清了刀盘扭矩与推力的构成来源：中心封闭区域加剧扭矩负荷，大量小开口则推高推力需求，为刀盘结构的多目标优化提供了量化指标。

图2.A型泥水盾构刀盘

图3.B型泥水盾构刀盘

图4.C型泥水盾构刀盘

研究意义

本研究的价值在于将刀盘防结泥饼问题从“事后处置”推向“事前预判”。传统工程应对结泥饼，多依赖现场经验调整参数或被动开舱清理，成本高、风险大。而本研究所建立的CFD-DEM评估框架，可在刀盘设计阶段对不同结构方案进行量化比选，提前识别高风险区域与操作短板，为施工提供“可操作的预防策略”——如周期性反转刀盘方向、优化开口布局、针对性布置高压水射流喷嘴等，从而减少非计划停机与开舱处置频次。

这一研究对我国盾构装备自主化具有实际支撑作用。当前，超大直径泥水盾构机已列入国家重大技术装备攻关工程，其核心竞争力之一正是在复杂黏性土地层中保持高效稳定掘进的能力。本研究通过对三种典型刀盘结构的系统对比，揭示了结构特征与排渣效率、扭矩推力之间的定量关系，为国产盾构机针对国内典型黏土地层开展定制化刀盘设计提供了科学依据，减少对国外成熟地层经验的依赖。同时，通过提升掘进连续性、降低因堵塞造成的材料浪费与能源消耗，也为隧道工程向精细化、绿色化方向转型提供了技术支撑。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fsce/EN/10.1007/s11709-026-1263-2